Акустичний метод вимірювання відстані у хвилеводах

Акустичний метод вимірювання відстані у хвилеводах, що включає випромінювання звуку у 3 суттєво відрізнятися, а термодатчик дає лише приблизне значення СШЗ, вимірювання за ним супроводжуються значними похибками. Це є головним недоліком найближчого аналогу при використанні його для вимірювання відстані до рідини, наприклад, палива в баках автомобілів. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищити точність вимірювання відстані до рідини навіть за умови відсутності апріорних даних зі швидкості звуку у середовищі хвилеводу, реперів та інших допоміжних відбивачів звуку. Особливістю пропонованого методу є вибір хвильового розміру мірної трубки певним чином, а саме так, щоб у ньому існували хвилі 0-го та вищих ступенів. Випромінювач звуку також має створювати у хвилеводі зазначені типи хвиль. Оскільки ці хвилі мають різні швидкості поширення, то на кожний імпульс зондування матимемо як мінімум два відбиття від рівня рідини, зміщені за часом. Визначивши часові затримки кожного з отриманих ехо-сигналів відносно моменту зондування можемо розрахувати СШЗ у середовищі, що знаходиться в середині хвилевода. Далі обчислення рівня рідини відбувається подібно найближчому аналогу - як півдобуток затримки хвилі 0-го ступеня на отриману швидкість звуку. Таким чином пропонований метод вимірювання не потребує будь-яких апріорних даних зі швидкості звуку, термодатчиків, реперів або інших додаткових засобів, які зазвичай використовуються у відомих методах. Для визначення СШЗ необхідно лише створити умови для поширення у хвилеводі як мінімум двох типів хвиль і визначити їхні часові затримки. Технологія визначення затримок загально відома з літературних джерел та наведених аналогів. Поставлена задача вирішується тим, що у акустичному методі вимірювання відстані у хвилеводах, що включає випромінювання звуку у мірну трубку (хвилевід) з розміщеною в ній рідиною, отримання ехосигналу від поверхні рідини та обчислення відстані до неї за середньою швидкістю звуку, новим є те, що хвильовий розмір мірної трубки вибирають з врахуванням можливості поширення у ній хвиль 0-го та вищих ступенів, визначають часові затримки кожної з цих хвиль, обчислюють за ними середню швидкість звуку у мірній трубці, а вимірюваний рівень рідини знаходять як півдобуток середньої швидкості звуку та часової затримки хвилі 0-го ступеня. Таке функціональне вирішення корисної моделі за рахунок використання ехо-сигналів хвиль вищих порядків, що поширюються у мірній трубці, дозволяє навіть за відсутності реперів, термодатчиків та інших додаткових пристроїв визначити фактичну швидкість звуку у середовищі мірної трубки і визначити шукану відстань до рідини. Такі умови є типовими для спостережних свердловин та рівнемірів з мірними трубами або трубками, що використовуються для обліку рідких нафтопродуктів або інших рідин в технологічних резервуарах, цистернах та паливних баках автомобілів. Відмова у корисній моделі від додаткових датчиків і засобів вимірювання СШЗ разом з підвищенням точності вимірювання дозволяє зменшити собівартість пристроїв, розроблених за даним методом, розширює 57881 4 їхні функціональні можливості, особливо при роботі у складних умовах оточуючого середовища. Корисна модель, що пропонується, функціонує наступним чином. Акустичний перетворювач, що працює в оборотному режимі, збуджує у мірній трубці імпульси хвиль 0-го і вищих ступенів, кожна з яких поширюється зі своєю груповою швидкістю cn ; , де n  0;1 2;3... цілі числа. Далі всі хвилі досягнувши поверхні рідини відбиваються від неї і почергово і приймаються тим же акустичним перетворювачем. Таким чином на виході тракту приймання матимемо короткі відбиття кожної з хвиль з відповідними затримками відносно момен ту зондування n , значення яких визначають за допомогою оптимального тракту приймання з використанням відомих процедур пошуку максимуму обвідної взаємно-кореляційної функції. Наступна функція корисної моделі полягає у визначенні СШЗ у середовищі мірної трубки за формуc0   r 1  0  n  n     2 лою: , де  - кругова частота, на якій відбувається зондування; r - радіус мірної трубки;   0; 3,83; 7,02;10,17 нулі функції Бесселя 1-го порядку. Якщо використовуються лише ехо-сигнали хвиль 0-го, і 1-го ступенів, то СШЗ визначається за c0   r 1  0  3,83  n     2 формулою . Далі шукана відстань до рідини h обчислюється як півдобуток отриманої середньої швидкості с т звуку на часову c  h 0 0 2 . Як бачимо, затримку хвилі 0-го ступеня: у пропонованій корисній моделі для вимірювання відстані за відсутності апріорних даних зі швидкості звуку необхідні дані лише про затримки ехо сигналів n , робочу частоту  і радіус мірної труr. бки Підвищення точності при використанні пропонованої корисної моделі відбувається за рахунок того, що в умовах відсутності апріорних даних зі швидкості звуку за рахунок використання ехосигналів хвиль вищих порядків і врахування параметрів хвилевода вдається не тільки обчислити СШЗ у мірній трубці, а й точну відстань до рідини. Досягнення такого результату неможливе за відомим методом, оскільки в ньому необхідно встановлювати додатковий хвилевід, в якому СШЗ може значно відрізнятися від фактичного її значення в основному. Крім того в багатьох випадках встановлення додаткових хвилеводів, датчиків температури або реперів недоцільне або неможливе з технологічних причин (артезіанські видобувні та спостережні свердловини, технологічні резервуари, паливні баки автомобілів). Це значно розширює функціональні можливості корисної моделі і сферу її застосування. Поєднання в корисній моделі, що пропонується, зазначених нововведень, що дозволяють од 5 57881 ночасно підвищити точність вимірювань і розширити її функціональні можливості, значно підвищує ефективність створених за нею пристроїв і систем, відкриваючи низку нових можливостей, а саме, можливість вимірювання в умовах значних коливань рівня рідини у ємностях, температури та наявності періодичних змін вертикального температурного градієнта. Такі умови бувають під час вимірювання рівня пального у баках автомобілів. Корисна модель може бути реалізована на сучасній елементній базі, наявній на ринку України. Ядром її може бути мікроконтролер MSP430 фірми Texas Instruments, що може виконувати функції формування зондуючого сигналу, оптимальної обробки і пошуку максимуму ехо-сигналу, а також обчислювальні функції з визначенням СШЗ та шуканої відстані до рівня рідини. Таким чином використання пропонованої нової технології вимірювання рівня рідини в мірних труб Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 6 ках акустичним методом дозволяє створити нові прилади з підвищеною точністю вимірювання та обліку рідин у технологічних резервуарах і розширеними функціональними можливостями. Головні ланки приладу було успішно випробувано в акустичній лабораторії ОКБ "Шторм" при НТУУ "КШ", а також в роботі на артезіанських і спостережних свердловинах м. Києва, зокрема, на ВАТ "Оболонь", ДРГП "Північгеологія" і в КП "Київський метрополітен". Джерела інформації: 1. А.с. СССР №1289539, МПК G01F 23/16, 1990, БИ №14. 2. Патент России №2030577, МПК Е21В 47/04, 1995, БИ №7. 3. Патент США №2004144171А1, МПК G01F 23/00. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601